Prinsip dan aplikasi sensor laser

Sensor laser adalah sensor yang menggunakan teknologi laser untuk mengukur. Ini terdiri dari laser, detektor laser dan sirkuit pengukur. Sensor laser adalah jenis alat ukur baru. Keuntungannya adalah dapat mewujudkan pengukuran jarak jauh non-kontak, kecepatan cepat, presisi tinggi, jangkauan luas, kemampuan interferensi anti-cahaya dan listrik yang kuat, dll.
Cahaya dan Laser Laser adalah salah satu pencapaian ilmiah dan teknologi paling signifikan yang muncul pada tahun 1960-an. Ini telah berkembang pesat dan telah banyak digunakan dalam berbagai aspek seperti pertahanan negara, produksi, kedokteran dan pengukuran non-listrik. Tidak seperti cahaya biasa, laser perlu dihasilkan oleh laser. Untuk bahan kerja laser, dalam kondisi normal, sebagian besar atom berada dalam tingkat energi rendah E1 yang stabil. Di bawah aksi cahaya eksternal dengan frekuensi yang sesuai, atom-atom pada tingkat energi rendah menyerap energi foton dan bersemangat untuk bertransisi ke tingkat energi tinggi E2. Energi foton E=E2-E1=hv, di mana h adalah konstanta Planck dan v adalah frekuensi foton. Sebaliknya, di bawah induksi cahaya dengan frekuensi v, atom pada tingkat energi E2 akan bertransisi ke tingkat energi yang lebih rendah untuk melepaskan energi dan memancarkan cahaya, yang disebut radiasi terstimulasi. Laser pertama-tama membuat atom-atom zat kerja secara tidak normal pada tingkat energi tinggi (yaitu, distribusi inversi populasi), yang dapat membuat proses radiasi terstimulasi menjadi dominan, sehingga cahaya yang diinduksi dengan frekuensi v ditingkatkan, dan dapat melewatinya cermin paralel Amplifikasi tipe longsoran dibentuk untuk menghasilkan radiasi terstimulasi yang kuat, yang disebut sebagai laser.

Laser memiliki 3 sifat penting:
1. Direktivitas tinggi (yaitu, direktivitas tinggi, sudut divergensi kecil dari kecepatan cahaya), rentang perluasan sinar laser hanya berjarak beberapa sentimeter dari beberapa kilometer;
2. Monochromaticity tinggi, lebar frekuensi laser lebih dari 10 kali lebih kecil dari cahaya biasa;
3. Kecerahan tinggi, suhu maksimum beberapa juta derajat dapat dihasilkan dengan menggunakan konvergensi sinar laser.

Laser dapat dibagi menjadi 4 jenis menurut bahan kerjanya:
1. Laser keadaan padat: Bahan kerjanya padat. Yang umum digunakan adalah laser ruby, laser garnet yttrium aluminium yang didoping neodymium (yakni laser YAG) dan laser kaca neodymium. Mereka memiliki struktur yang kira-kira sama, dan dicirikan dengan menjadi kecil, kuat, dan berdaya tinggi. Laser kaca neodymium saat ini merupakan perangkat dengan daya keluaran pulsa tertinggi, mencapai puluhan megawatt.
2. Laser gas: zat kerjanya adalah gas. Sekarang ada berbagai atom gas, ion, uap logam, laser molekul gas. Yang umum digunakan adalah laser karbon dioksida, laser neon helium, dan laser karbon monoksida, yang berbentuk seperti tabung pelepasan biasa, dan dicirikan oleh keluaran yang stabil, monokromatisitas yang baik, dan masa pakai yang lama, tetapi dengan daya rendah dan efisiensi konversi rendah.
3. Laser cair: Dapat dibagi menjadi laser kelat, laser cair anorganik dan laser pewarna organik, yang paling penting adalah laser pewarna organik, fitur terbesarnya adalah panjang gelombang dapat disesuaikan secara terus menerus.
4. Laser semikonduktor: Ini adalah laser yang relatif muda, dan yang lebih matang adalah laser GaAs. Ini ditandai dengan efisiensi tinggi, ukuran kecil, ringan dan struktur sederhana, dan cocok untuk dibawa di pesawat terbang, kapal perang, tank, dan infanteri. Dapat dibuat menjadi pengukur jarak dan pemandangan. Namun, daya keluarannya kecil, arahnya buruk, dan sangat dipengaruhi oleh suhu sekitar.

Aplikasi Sensor Laser
Menggunakan karakteristik directivity tinggi, monokromatisitas tinggi dan kecerahan tinggi laser dapat mewujudkan pengukuran jarak jauh non-kontak. Sensor laser sering digunakan untuk pengukuran besaran fisik seperti panjang, jarak, getaran, kecepatan, dan orientasi, serta untuk deteksi cacat dan pemantauan polutan atmosfer.
Pengukuran panjang laser:
Pengukuran panjang yang tepat adalah salah satu teknologi kunci dalam industri pembuatan mesin presisi dan industri pemrosesan optik. Pengukuran panjang modern sebagian besar dilakukan dengan menggunakan fenomena interferensi gelombang cahaya, dan keakuratannya terutama bergantung pada monokromatisitas cahaya. Laser adalah sumber cahaya paling ideal, yang 100.000 kali lebih murni dari sumber cahaya monokromatik terbaik (lampu kripton-86) di masa lalu. Oleh karena itu, rentang pengukuran panjang laser besar dan presisi tinggi. Menurut prinsip optik, hubungan antara panjang terukur maksimum L dari cahaya monokromatik, panjang gelombang λ dan lebar garis spektral δ adalah L=λ/δ. Panjang maksimum yang dapat diukur dengan lampu kripton-86 adalah 38,5 cm. Untuk objek yang lebih panjang, perlu diukur dalam beberapa bagian, yang mengurangi keakuratannya. Jika laser gas helium-neon digunakan, dapat mengukur hingga puluhan kilometer. Umumnya mengukur panjang dalam beberapa meter, dan akurasinya bisa mencapai 0,1 mikron.
Jangkauan Laser:
Prinsipnya sama dengan radar radio. Setelah laser diarahkan ke target dan diluncurkan, waktu bolak-baliknya diukur, lalu dikalikan dengan kecepatan cahaya untuk mendapatkan jarak bolak-balik. Karena laser memiliki keunggulan directivity tinggi, monokromatisitas tinggi dan daya tinggi, ini sangat penting untuk mengukur jarak jauh, menentukan orientasi target, meningkatkan rasio signal-to-noise dari sistem penerima, dan memastikan akurasi pengukuran . semakin mendapat perhatian. Lidar yang dikembangkan berdasarkan pengintai laser tidak hanya dapat mengukur jarak, tetapi juga mengukur azimuth, kecepatan, dan percepatan target. Radar, mulai dari 500 hingga 2000 kilometer, kesalahannya hanya beberapa meter. Saat ini, laser ruby, laser kaca neodymium, laser karbon dioksida, dan laser gallium arsenide sering digunakan sebagai sumber cahaya untuk pengukur jarak laser.

Pengukuran getaran laser:
x
Pengukuran kecepatan laser:
Ini juga merupakan metode pengukuran kecepatan laser berdasarkan prinsip Doppler. Pengukur aliran Doppler laser (lihat pengukur aliran laser) lebih banyak digunakan, yang dapat mengukur kecepatan aliran udara terowongan angin, kecepatan aliran bahan bakar roket, kecepatan aliran udara jet pesawat, kecepatan angin atmosfer dan ukuran partikel serta kecepatan konvergensi dalam reaksi kimia, dll.